Результаты моделирования воздушного турбулентного потока в искривленном канале концентратора.

Различные режимы работы ветрового колеса ………………………. 53

3.6 Расчет производительности ВЭУ И ВЭС…………………………….. 55

3.7 Расчет годовой производительности ветровой турбины…………..... 56

4 РАЗРАБОТКА ЧЕРТЕЖЕЙ И ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТОВ НА ТРЕХ МОДЕЛЯХ МАЛОЙ ВЭУ ………………………………………………... 59

4.1 Разработка чертежей опытной конструкции ВЭУ…………………… 59

4.2 Проведение экспериментов на трех моделях малой ВЭУ ………….. 64

5 ПЕРЕДАЧА МАТЕРИАЛОВ В ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОРГАНЫ ДЛЯ ПАТЕНТОВАНИЯ ………………………………………………………… 76

5.1 Материал для подачи заявки на изобретение………………………… 76

5.2 Формула полезной модели……………………………………………… 83

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….. 84

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………… 86

ПРИЛОЖЕНИЯ …………………………………………………………… 89

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе в энергетике превалирует углеводородное топливо. В последние годы их мировое потребление растет. Их рост сильно заметен в развивающихся странах, например, в Китае потребление нефти за последние пять лет выросло на 30%. Внедрение новых технологии добычи существенно увеличивают объемы углеводородного топлива, что в конечном счете приводит к росту предложений и ужесточению конкуренции между производителями.

За счет не восполняемых ресурсов – угля, нефти, газа и урана, почти на 87% обеспечивается потребность мировой экономики в топливе, а доля альтернативных источников составляет всего 13%. В ближайшей перспективе до 2030 года данное соотношение сильно меняться не будет, а доля ископаемых углеводородов не опустится ниже 80 процентов. Инновационные разработки, внедряемые в энергетику как возобновляемые источники, не изменят общую картину в мировом энергобалансе.

Энергопотребление с каждым годом растет. Центр роста постепенно смещается в сторону развивающихся стран. К ним можно отнести государства Юго-Восточной Азии, лидерами которых являются Китай и Индия. Рост энергопотребления отмечается и в Южной Америке. В развитых странах основной тренд – это энергоэффективность и возобновляемые источники энергии. Так, Германия полностью отказалась от АЭС и ТЭС, за счет стимулирования финансовыми инструментами эта страна добилась покрытия потребности в энергии за счет ВИЭ. В США повышают производительность солнечных станции (сейчас КПД составляет 44%) и в ближайшем будущем они станут конкурентоспособными с традиционными источниками энергии, в том числе и АЭС. Важным моментом является разработки США в области технологии по добыче сланцевого газа и сланцевой нефти. Эти обстоятельства окажут большое влияние на мировое энергопотребление, а также приведут к изменению схем поставок энергоносителей и внедрению нового энергетического оборудования нового поколения.

В последние годы возобновляемая энергетика, несмотря на экономический кризис, является инвестиционно привлекательным сектором и общие инвестиции составляют около 300 млрд. долларов. Благодаря экономическим стимулирующим мероприятиям развитые страны внедряют ВИЭ быстрыми темпами. В тоже время новые реалии такие как экологические требования, энергоэффективность и энергоемкость не позволяют существующим технологиям ВИЭ оставаться конкурентоспособными. Требуются новые материалы для облегчения вращающихся элементов, новые возможности машиностроения для производства новых типов ВИЭ, генераторы нового поколения.

В соответствии с Посланием Президента Республики Казахстан Н.А. Назарбаева народу Казахстана актуальными становятся вопросы повышения энергоэффективности в экономике. Президент РК делает акцент на необходимость концентраций усилий на внедрении энергосберегающих и экологически чистых технологий. Казахстан обладает значительными возможностями поэтапной переориентации энергетики на использование возобновляемых источников. Потенциальные резервы использования данных ресурсов в Казахстане оцениваются в 12 млрд. долл. США в год [1].

На сегодняшний день государственная политика в области альтернативной энергетики и нетрадиционных возобновляемых источников отражена в Законах «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» [2], «Об электроэнергетике» и «Об энергосбережении», а также в Стратегии индустриально-инновационного развития РК до 2015 гг. [3] и Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на период 2007-2024 гг.

В 2003 году важным документом, подготовленным в рамках выполнения международных обязательств, взятых Казахстаном в соответствии с Рамочной Конвенцией ООН об изменении климата, стало постановление «О развитие ветроэнергетики». Также правительство Казахстана одобрило проектное предложение Программы развития ООН «Ускоренное развитие ветроэнергетики в Казахстане».

Кроме того, Министерство охраны окружающей среды РК разработал документ «Стратегия эффективного использования энергии и возобновляемых ресурсов РК в целях устойчивого развития до 2024 года».

В настоящее время доля возобновляемых источников энергии в Казахстане составляет порядка 1%, от общей выработки энергии, исключая ГЭС.

Общая установленная мощность малой ветроэнергетики по всему миру достигло 443,3 МВт, а общая установленная мощность большой ветроэнергетики мира - 240 ГВт по состоянию на конец 2010 года. Малая ветроэнергетика составляет 0,18% от большой ветроэнергетики в различных государствах мира.

На рисунке 1 приведены страны лидеры по количеству введенных малых ветроустановок по данным WWEA «Small Wind World Report Summary 2012» [4] в конце 2010 года в различных государствах мира. Как видно из диаграммы, в первую семерку входят: Китай (450 000 единиц), США (144 000 единиц), Великобритания (21 610 единиц), Канада (11 000 единиц), Германия (10 000 единиц), Испания (7020 единиц), Польша (7000 единиц). Больше всего малые ветротурбины установлены в двух странах мира - в Китае (450 000 ветроагрегатов/166 МВт) и в США (144 000 ветроагрегатов/179 МВт).

Рисунок 1 - Сравнительные количества малых ВЭУ в различных государствах

Будучи подавляющим лидером отрасли, Китай затмевает все другие крупные рынки, в том числе США и Великобритании, по количеству введенных ветроустановок – более 450 000 ВЭУ.

Несмотря на большой спрос на малые ветротурбины, в развитых странах Запада наблюдается, что рынок остается хрупким и сегодня. Продажи и производство введенных в строй ВЭУ по-прежнему зависят от величины государственных стимулов.

Необходимо строительство в Казахстане современных ветростанций с новыми технологическими концентраторами и преобразователями воздушного потока в вихревое движение, например, таких как ветроагрегаты Дарье.

Перечень энергетического потенциала исследованных площадок для строительства ветроэлектростанций (ВЭС) в результате исследования ПРООН (рисунок 2) [6].

Джунгарские ворота (Алматинская область) 50 МВт

Шелекский коридор (Алматинская область) 100 МВт

Кордай (Жамбыльская) 10-20 МВт

Жузымдык- Чаян (ЮКО) 10-20 МВт

Астана (Акмолинская) 20 МВт

Ерейментау (Акмолинская) 50 МВт

Каркаралинск (Карагандинская) 10-20 МВт

Аркалык (Костанайская) 10-20 МВт

Атырау (Атырауская) 100 МВт

Форт-Шевченко (Мангыстауская) 50 МВт

Рисунок 2 - Глобальное распределение малой ветроэнергетики

В ближайшем будущем такая отрасль как малая ветроэнергетика станут не только основой мировой энергетики, но и обеспечат ученый мир множеством проблем, решение которых позволит снизить энергоемкость экономики, но и создать новые направления в машиностроении, новые материалы, изменить инфраструктуру энергоснабжающей отрасли. Это позволит повысить энергоэффективность производства, ЖКХ, рентабельность сельского хозяйства.

Следует отметить, что темпы развития ветроэнергетики далеко не соответствуют возможностям, достигнутым в области современного машиностроения, и, самое главное, далеки от удовлетворения запросов потребителей. Это обусловлено несколькими причинами. На первое место среди причин технического характера можно поставить общий недостаток всех ветроустановок: низкий запас кинетической энергии, приходящейся на единицу объема рабочего тела, т.е. атмосферного воздуха. Производство ветроагрегатов большой мощности требует мощной машиностроительной базы. При этом себестоимость 1 кВт⋅ч энергии, вырабатываемой ветроустановками, превышает производственные затраты тепловых и атомных электростанций.

Широкомасштабное строительство малых и мини-ВЭС позволит снизить себестоимость электроэнергии за счет производства собственных ветротурбин и электрооборудования с максимальным казахстанским содержанием.

Потенциальными потребителями результатов проекта будут проектные организации, которые готовят технические условия для строительства малых и мини-ВЭС в областях Казахстана, фермерские хозяйства, различные компании.

По мощности ветроустановки делятся на: малой мощности – до 100 кВт, средней – от 100 до 500 кВт, и большой (мегаваттного класса) – 0,5-4 МВт и более.

Часто идет речь о малой ветроэнергетике, назначение которой – обеспечение водоподъема для сельскохозяйственных целей, получение тепла и электропитания отдельных потребителей в неэлектрофицированных районах и т.п. Во многих странах налажено серийное производство ветроустановок малой мощности.

Малая ветроэнергетика не требует больших территорий, ее можно развивать везде, где имеются для этого соответствующие условия.

Развитие ветроэнергетики требует применение новых решений, которые связаны с концентрацией потока, исключением воздействия потока на обратный ход ветроколеса, созданием надежных режимов работы ветротурбины, применением дополнительных физических компонентов, способствующих росту эффективности работы ветроагрегата.

Как показали расчеты, теоретический ветровой потенциал Казахстана составляет 14 098 млрд. кВт*ч при теоретически возможной мощности всех ВЭС в 7 466 600 МВт. Отчет своей целью ставит необходимость пересмотра существующей модели экономики в связи с изменением климата и ухудшением состояния экосистем в Казахстане, а также оценки возможных перспектив развития зеленой экономики в Казахстане с использованием ветровой энергетики, в частности, вихревых ветровых энергетических установок.

Инвентарные номера прошлых отчетов НИР: 2013- №0213РК02309, №0214РК00434, 2014 - №0214РК1481.

1 АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ

Был проведен анализ полученных данных по результатам научно-исследовательской работы по изучению параметров модели вихревой ветротурбины, связанных с исследованием движения воздушного потока в вихревой ветротурбине выполненных за два года. Исследования начались с литературного и патентного обзоров и анализа математических методов, существующих конструкции гидротурбин, затем были проведены математические расчеты на основе математического моделирования движения воздушного потока в ветротурбине, определены распределение поля скоростей при заданных начальных и граничных условиях.

По расчетным данным были изготовлены эскизы деталей и общий вид конструкции вихревой ветротурбины. На основе эскизов были разработаны чертежи для изготовления экспериментальной модели вихревой ветротурбины.

Изучение аэродинамических параметров вихревой ветроустановки проводилась в лабораторных условиях на различных моделях. Опытная установка включает в себя ветроустановку, подводящий канал и вентилятор. Для проведения экспериментов была сконструирована специальное устройство, которое позволяет осуществлять подвод воздуха на одно или две отверстий концентратора установки. Опыты проводились для определения зависимости скорости вращения ветроколеса от скорости набегающего воздушного потока. Для определения эффективности работы ветроустановки проводилось следующее:

- Подвод воздуха осуществлялось только в один канал концентратора;

- Подвод воздуха осуществлялось в два канала концентратора;

- Эксперименты проводились при наличии вытяжной трубы и без него.

При измерении скорости потока использовались специальные приборы заводского изготовления: прибор CALDWELLWINDMETER; ручной анемометр LaCrosse WS9500; прибор АНЕМОМЕТР UNI-T UT361.

Экспериментальные исследования при подводе воздушного потока к двум каналам концентратора картина существенно изменилась, по сравнению с режимом подачи воздуха в один канал концентратора. При скорости ветра 3 м/с вращение ветроколеса достигло 31 оборотов в минуту за 3 минуты. При величине скорости набегающего потока 5 м/с обороты ветроколеса в течении 3 минут достигали до 52 оборотов в минуту. При скорости ветра 8 м/с обороты составили 62 об/мин, а при достижении величины скорости 10 м/с вращение ветроколеса составила 70 об/мин.

Распределение расхода воздуха по другим каналам концентратора были определены измерением скорости потока по периметру концентратора. Вне концентратора движение воздуха не происходит. При измерении величины скорости внутри криволинейных каналов скорость вовлекаемого потока внутрь концентратора составила 1,5 м/с. Это также подтверждает данные расчетов, приведенные в третьей главе, в которых показаны профили скорости в поперечном сечении. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, что также подтверждает принятую математическую модель движения воздушного потока в концентраторе ветротурбины и в цилиндрической вертикальной трубе.

При вращении ветроколеса при различных скоростях посторонних шумов и звуков не наблюдается. Какие-либо воздействие вихревой ветровой установки на окружающих не ощущается.

При отключении вентилятора, обеспечивающий подачу воздуха в концентратор установки, ветроколесо не останавливается в течении 5-6 минут, т.е. конусное основание ветроколеса выступает в качестве маховика и благодаря этому появляется положительная инерция ветроколеса, позволяющая сглаживать неравномерность воздушного потока. Жесткость конструкции ветроколеса позволяет обеспечить его устойчивое вращение и устраняет вибрационные нагрузки. Подшипники находятся внутри толстостенной трубы, на которую крепятся каркас и основание ветроколеса в виде конуса с криволинейными лопастями. Поэтому шум от вращения подшипников практически не ощущается. Неравномерная подача воздуха на лопасти ветроколеса не приводит к нестабильному режиму ветротурбины и в случае подачи воздуха в два канала концентратора повышаются обороты ветроколеса почти в 1,5 раза.

При проведении опытов без верхней трубы были проведены измерения скорости потока по периметру концентратора, чтобы определить движение воздуха по другим каналам концентратора. Вне концентратора движение воздуха не происходит. При измерении величины скорости внутри криволинейных каналов скорость исходящего потока из концентратора составила 1,2-1,5 м/с. В этом случае воздух не всасывается в концентратор, а наоборот вытекает из него, что говорит о наличии сопротивления на выходе из верхнего конуса концентратора. Таким образом, вытяжная труба снижает сопротивление на выходе из концентратора за счет интенсивной закрутки воздушного потока. Эксперименты показали о необходимости вытяжной трубы для стабилизации режима течения и снижения сопротивления на выходе из концентратора. Этому подтверждением является вытекание воздуха из каналов концентратора со скоростью до 1,5 м/с и потери оборотов на валу ветроколеса до 22%.

При проведении экспериментов были изготовлены несколько вариантов ветротурбин с разными ветроколесами. В виду того, что крепление лопастей ветроколеса на вал и крепление лопастей на вращающийся цилиндр привели к нежелательным результатам, то мы перешли на тот вариант, который стал оптимальным для данной конструкции ветроустановки. В качестве третьего варианта ветроустановки принята модель ветроагрегата с лопастями ветроколеса с более высоким коэффициентом кривизны. Данная модель рассматривается как окончательная к данной работе.

На основании расчетных данных, полученных результатов при лабораторных исследованиях были выявлены определенные закономерности изменения оборотов ветроколеса от скорости подводящего потока.

По результатам испытаний были изготовлены несколько вариантов экспериментальных моделей ветроустановки, в которых были оптимизированы конструкция ветроколеса. Выбранная модель была испытана при различных вариантах подвода воздуха к каналам концентратора с изменением величины скорости на подводящих каналах. Для будущих исследований подготовлен малооборотистый генератор.

Полученные теоретические и экспериментальные результаты по исследованию новой конструкции ветроэнергетической установки (ВЭУ) с концентратором потока позволяют аргументировать новизну разработки, отличительные признаки ВЭУ и обосновать техническое решение, что является основой для подачи заявки на патент «полезная модель».

По результатам предыдущих научных отчетов было решено в этом году оптимизировать математическую модель для повышения точности расчетов и на разработать методику расчета по конструкциям малой ВЭУ. На основе расчетов изготовить рабочие чертежи и три модели малой ВЭУ.

2 ОПТИМИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РАСЧЕТОВ

Результаты моделирования воздушного турбулентного потока в искривленном канале концентратора.

В данной работе для оптимизации математической модели приводится методика аэродинамического расчета вихревого движения потока в ветротурбине с концентратором потока.

Численная модель позволяет описывать турбулентное движение нестационарных потоков в искривленных каналах. Расчеты были проведены для различной конфигурации искривленного канала. Для расчетов использовалась равномерная сетка. Шаг по времени, принимался постоянным. Реализация численного алгоритма предусматривает автоматическое изменение шага по времени для ускорения времени расчета.

На основе построенной модели (рисунок 3,4) были определены следующие характеристики: распределение векторов скорости внутри канала, распределение статического давления внутри канала.

Рисунок 3 – Геометрическая модель

Рисунок 4 – Граничные условия

Расчет проводился при начальной скорости воздушной массы равной 5 м/с, Re=10000, и особо следует отметить, что начальное поле скорости задавалось по всей плоскости входного отверстия канала концентратора (рисунок 5).

Рисунок 5 – Геометрическая модель ВЭУ

На рисунке 6 представлено изменение контура скорости воздушного потока вдоль стенки канала концентратора в различные моменты времени. Как видно из рисунка течение носит турбулентный характер, и скорость в месте сужения канала увеличивается в 6 раз, а в районе завихрения воздушного потока в 8 раз, при чем скорость движения потока воздуха приобретает установившийся характер через 1 с.

Поле скорости потока показывает безотрывное течение в каналах концентратора. Это означает, что дополнительное сопротивление сужение каналов в виде вихрей в зоне воздействия потока на лопасти ветроколеса. Тангенциальный вход струи в зону размещения ветроколеса позволяет создать вихревое движение с центром по оси ветроколеса. Это означает, что в центре концентратора создается вихрь, ось которого совпадает с осью вращения ветрового колеса. Как показывают расчетные данные, вихрь имеет равномерное поле распределение скорости в поперечном сечении. На выходе из концентратора вертикальная составляющая скорости растет и в отводящей трубе наблюдается вращательно-поступательное движение. Увеличение скорости до 18 м/с в отводящей трубе показывает, что в расчетной схеме не учитываются силы сопротивления, связанные с сужением живого сечения потока в 4 раза. Для уточнения расчетных данных требуется проведение специальных опытов по измерения скорости по сечениям в суженном сечении криволинейного канала концентратора и по высоте отводящей трубы.

Рисунок 6 – Изменения скорости ветра в криволинейных каналах концентратора ВЭУ

Проведенный вычислительный эксперимент (рисунок 7,8) показал качественные изменения профиля скорости при движении в сужающемся канале. Картина течения совпадает с принятыми начальными и граничными условиями и подтверждает малое влияние сужающихся стенок каналов концентратора на развитие пограничного слоя. Работа концентратора обеспечивает поставленную цель – концентрация потока на лопасть ветроколеса с повышением скорости в несколько раз. Важным моментом является выбор оптимальной пропускной способности концентратора, чтобы использовать весь диапазон изменения скорости потока согласно статистическим данным. Если в среднем по Казахстану годовая скорость ветра составляет 5 м/с, то его колебания могут составить до 25 м/с. Это в первую очередь объясняется резко-континентальным климатом нашей страны. Другим моментом является высокий градиент температуры не только на поверхности земли, но и по высоте атмосферы.

Рисунок 7 – Экспериментальные данные

Рисунок 8 – Экспериментальные данные в разрезе х-у

2.2 Результаты моделирования воздушного турбулентного потока в шести канальном концентраторе с плоским основанием.

В данном разделе описываются результаты численного моделирования вихревого турбулентного движения потока в вихревой шести канальной ветротурбине.

Для детального исследования движения воздушной массы в концентраторе решаются две модельные задачи. Первая задача связана с моделированием движения потока воздуха в двух каналах концентратора с постоянной скоростью 2 м/с, при чем начальное поле вектора скорости задается по всей площади каналов [13]. Вторая задача посвящена детальному моделированию динамики воздушного потока в шести канальном концентраторе при наличии ветровых потоков со всех шести сторон, что на практике встречаться не может. Для решения задач были заданы начальные и граничные условия, ветер на входе.

Результаты расчетов по первой модельной задаче приведены на рисунках 8-23. На рисунках 8-12 в виде изолиний представлена динамика воздушного потока в концентраторе при вдуве в два канала. Далее на рисунках 13-16 расчетные данные этого же вычислительного эксперимента представлены в виде изоповерхностей, а рисунки 18, 19 отражают распределение поля вектора скоростей в сечениях.

Во второй задаче моделируется движение потока в вихревой шести канальной ветротурбине при наличии ветровых потоков со всех шести сторон. На рисунках 18-21 показана динамика распределения воздушной массы в концентраторе при начальном поле вектора скорости 2 м/с. На рисунках 18-21 представлены изоповерхности скорости при вдуве в шесть каналов концентратора на различных временных шагах. А на рисунках 22, 23 показано поле вектора скорости в горизонтальном и вертикальном сечении соответственно.

Анализ данных по расчетам показывает, что при вдуве в два канала концентратора скорость воздушного потока на выходе увеличивается в 10-12 раз [14]. А поток принимает установившейся характер течения за 30 с [15]. При рассмотрении расчетов второй модельной задачи можно сделать вывод, что скорость на выходе при наличии ветровых потоков со всех шести сторон увеличивается в 30 раз.

Следует отметить, что данные исследования носят чисто теоретический характер, так как начальное поле вектора скорости задавалось по всем площадям каналов концентратора, и направление потока воздуха было задано строго в центр концентратора со всех шести сторон. Но проведение численного моделирования движения потока воздуха в ветротурбине, показывает эффективность применения концентраторов воздушного потока. Для дальнейшего изучения поведения воздушного потока в концентраторе необходимы экспериментальные данные испытания конструкции шести канального, а затем и восьми канального концентратора.

Вычислительный эксперимент наглядно показал картину течения в концентраторе, в зоне расположения ветроколеса и отводящей трубе. Поток ветра, попадая с одной стороны концентратора, двигаясь тангенциально к ветроколесу, увеличивает свою скорость и создает вихревое движение в зоне нахождения ветроколеса. Вихрь развивается и начинает затягивать воздух и с противоположной стороны направления ветра и в какой-то момент, воздух начинает поступать через все каналы концентратора. Это подтверждают расчеты изолинии скорости потока. При расчете изоповерхностей наблюдается изменение расхода воздуха по времени, пока не наступает стабилизация формирования вихревого потока. С развитием вихря в центре концентратора расход вовлекаемого воздуха по каждому каналу концентратора стабилизируется и выравнивается по значению.

Выравнивание поле скорости в осесимметричном движении вихря с осью вращения совпадающей с осью ветроколеса позволяет эффективно передавать энергию вихревого движения ветрового потока на вращательное движение ветроколеса. Большое значение имеет безвихревое обтекание лопастей ветроколеса. Чтобы повышать скорость вращения ветроколеса необходимо создавать повышенное давление на входе в каналы концентратора. Но в реальных условиях это достичь не возможно, поэтому требуется определить оптимальное вращение ветроколеса без снижения пропускной способности ветроустановки.

Пропускная способность изучаемой конструкции зависит от расположения лопастей ветроколеса. Расчеты не позволяют полностью определить пропускную способность ветростанции в зависимости от конфигурации ветроколеса. В этих целях были изготовлены различные варианты ветроколеса и проведены специальные опыты, результаты которых будут изложены в следующем разделе.

Рисунок 8 – Изолинии скорости при вдуве в два канала концентратора, сечение на высоте 1,9 метров, на временном шаге 1 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 9 – Изолинии скорости при вдуве в два канала концентратора, сечение на высоте 1,9 метров, на временном шаге 11 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 10 – Изолинии скорости при вдуве в два канала концентратора, сечение на высоте 1,9 метров, на временном шаге 20 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 11 – Изолинии скорости при вдуве в два канала концентратора, сечение на высоте 1,9 метров, на временном шаге 27 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 12 – Изоповерхность скорости при вдуве в два канала концентратора на временном шаге 1 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 13 – Изоповерхность скорости при вдуве в два канала концентратора на временном шаге 11 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 14 – Изоповерхность скорости при вдуве в два канала концентратора на временном шаге 19 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 15 – Изоповерхность скорости при вдуве в два канала концентратора на временном шаге 24 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 16 – Распределение вектора скорости в сечении на высоте 12 метров и вертикальном срезе на временном шаге 15 с. при вдуве в два канала концентратора. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 17 – Распределение вектора скорости в вертикальное сечении на временном шаге 5 с. при вдуве в два канала концентратора. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 18 – Изоповерхность скорости при вдуве в шесть каналов концентратора на временном шаге 1 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 19 – Изоповерхность скорости при вдуве в шесть каналов концентратора на временном шаге 2 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 20 – Изоповерхность скорости при вдуве в шесть каналов концентратора на временном шаге 8 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 21 – Изоповерхность скорости при вдуве в шесть каналов концентратора на временном шаге 29 с. Ветер западный, скорость 2 м/c

Рисунок 22 – Распределение вектора скорости в горизонтальном сечении на высоте 1,9м при вдуве в шесть каналов концентратора, скорость вдува 2 м/c, на временном шаге 29 с

Рисунок 23 – Распределение вектора скорости в вертикальном сечении при вдуве в шесть каналов концентратора, скорость вдува 2 м/c, на временном шаге 29 с

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПО КОНСТРУКЦИЯМ МАЛОЙ ВЭУ

3.1 Изучение аэродинамики работы конкретных примеров комбинированных роторов

Изучив ряд трудов зарубежных авторов (Пьянков К. С., Топорков М. Н., Редчиц Д.О., Приходько А.А., Elmabrok A. M., Kyozuka Y., Akira H., Duan D., Urakata Y., Gupta R., Das R., Sharma K.K.,), мы пришли к выводу, что комбинация роторов создана для решения проблем, связанных с малым моментом ротора на старте с одной стороны, и с малой максимальной мощностью ротора с другой.

Основным параметром, от которого зависят характеристики вертогонераторов, является коэффициент быстроходности Z = U_t/U_x — отношение окружной ско­рости лопасти U_t = 2nfR, где f — частота вращения ротора, R — радиус ротора, к скоро­сти набегающего потока U_x. Роторы типа Савониуса характеризуются малой быстроходностью и малой максимальной мощностью, при этом имея простую кон­струкцию и большой момент в состоянии покоя. Роторы Дарье — высокооборотные роторы со значительной по сравнению с ротором Савониуса, мощностью, но плохими стартовыми характеристиками.

В одной из работ [12] приведена методика расчета нестаци­онарного обтекания вертикальных роторов и получения основных характеристик: за­висимостей коэффициентов момента и мощности от коэффициента быстроходности ротора. В данном труде анализ зависимости коэффициента момента от фазы, в которой находится ротор по отношению к направлению ветра, на малой скорости вра­щения показал, что при данной конфигурации ротора Дарье невозможно гарантиро­вать автозапуск ротора из состояния покоя.

Показано, что путем комбинирования роторов Дарье и Савониуса даже при малых Z можно получить значительный положительный момент. Также получено, что комбинированный ротор имеет меньший максимальный момент вра­щения, чем одиночный ротор Дарье.

Все аэродинамические расчеты, представленные в работе, основаны на численном интегрировании осредненных по Рейнольдсу нестационарных нелинейных уравне­ний Навье—Стокса, замкнутых дифференциальной моделью турбулентности v_t—90. Конечно-разностная запись невязких частей этих уравнений осуществлялась по схеме Годунова.

В итоге показано, что с помощью новой конструкции ветроколеса можно получить большую мощность лишь на больших скоростях вращения, а также указано на проблему самостоятельной раскрутки ротора из состояния покоя. Из этого следует, что использование ротора с переменным сечением сердечника возможно лишь в комбинации с раскручивающим его двигателем, либо с другим устройством, позволяющим компенсировать недостаточность момента вращения на малых скоростях.

В качестве раскручивающего механизма рассмотрено ветроколесо с криволинейными лопастями. Он состоит из 18 лопастей, которые представляют собой дуги окружности ра­диуса 0.05 и толщиной 0.0012; хорда равна 0.08, угол установки в = 30°. Внешний радиус ветроколеса равен 0.25, а радиус вала (белый круг на оси, рисунок 24) равен 0.025.

Моделирование течения в таком роторе показало, что момент вращения на роторе монотонно падает с увеличением Z от максимального значения C_q = 0.08 при Z = 0 до нуля про Z = 1 (здесь Z определено по его окружной скорости).

При моделировании комбинированного ветроколеса рассматривался ротор типа Дарье, близкий к оптимальному, в соответствии с результатами предыдущего раздела: хорда h = 0.2, угол установки в = +2°, радиус ротора 1 м. Расчетная сетка для комбинированного ротора показана на рисунке 24.

На рисунке 25 представлены кривые зависимости коэффициентов C_p(Z) и C_q(Z) для рото­ра Дарье и комбинированного ротора. Видно, что использование ротора Савониуса помогает получить значительный момент на старте и избежать критического умень­шения момента при Z, близких к 1. Здесь также наблюдается уменьшение момента при Z = 1, однако коэффициент момента падает лишь до значения C_{q min} = 0.03, тогда как у одиночного ротора Дарье было C_{q min} = 0.005. В то же время на режиме макси­мальной мощности комбинированный ротор проигрывает по мощности ротору Дарье около 20%.

Рисунок 24 - Расчетная сетка для задачи комбинированного ротора: 1 — граница сеток с разной топологией

1 2

Рисунок 25 - Сравнение коэффициентов момента C_q и мощности C_p для комбини­рованного ротора (1) и ротора Дарье (2)

1 — РДКР, 2 — РД, 3 — РСКР, 4 — РС

Рисунок 26 - Сравнение коэффициентов момента C_q(Z) ротора Дарье (РД) с ротором Да­рье в комбинированном роторе (РДКР) (а) и ротора Савониуса (РС) с ротором Са­вониуса в комбинированном роторе (РСКР) (б)

На рисунке 26, а показаны графики зависимостей момента на роторе и на лопа­стях ротора в составе комбинированного ротора от Z. Из графика видно, что есть два диапазона скоростей, при которых на вращение ветроколеса сильное влияние оказывают лопасти с трехмерным искривлением. Первый — это диапазон Z = 0.8—1.2; на этом диапазоне лопасти Савониуса благоприятно влияет на обтекание ротора Дарье, увеличивая момент. На втором диапазоне, в районе максимального значения момента, момент на лопа­стях Дарье комбинированного ротора меньше, чем на изолированном роторе Дарье.

Влияние комбинированного ротора на момент вращения создаваемый ротором Са­вониуса показано на рисунке 26 - б. Момент ротора Савониуса в случае комбинированного ротора значительно меньше, чем на изолированном роторе. Интересно, что момент на роторе Савониуса обращается в ноль при Z = 2 для комбинированного ротора, тогда как для изолированного ротора это происходит при Z = 4 (здесь учтено, что радиус ро­тора Савониуса равен 0.25, а Z посчитано по внешнему радиусу комбинированного ротора). При Z > 2 ротор Савониуса уже не дает положительного момента, хотя и не создает значительного отрицательного момента. Отсюда видно, что 20% проигрыш в максимальном коэффициенте мощности комбинированного ротора по сравнению с ротором Дарье получается за счет ухудшения обтекания ротора Дарье в совмещенной установке, тогда как непосредственно ротор Савониуса не вносит значительного вкла­да в снижение максимального момента.

В предыдущем разделе отмечено, что ротор Дарье не может самостоятельно раскру­титься из состояния покоя. На малых оборотах осредненный момент на роторе полу­чился очень малым, причем при некоторых Z мог быть отрицательным, а также даже при положительном среднем моменте, в некоторых фазах поворота ротора мгновен­ное значение момента получалось отрицательным.

На рисунке 27 показано, как меняется коэффициент момента от фазы, в которой нахо­дится ротор на малых оборотах. Видно, что в любом положении ротора момент поло­жительный. Высокочастотные колебания момента на этом графике обусловлены су­щественной нестационарностью течения при малых Z, поэтому для определения ми­нимального момента, который может реализоваться на старте, необходимо пользоваться осреднением этой кривой. Приблизительно минимальный момент при Z = 1 можно оценить как C_q = 0.04-0.05.

Рисунок 27 - Момент вращения ротора Дарье—Савониуса в зависимости от угла поворота: Z = 0.2

На рисунке 28 показано мгновенное поле турбулентной вязкости при обтекании ком­бинированного ротора на режиме, близком к оптимальному. Видно, что турбулентная вязкость вблизи ротора на 2 порядка превышает ламинарную вязкость, и что большая турбулентная вязкость получается при обтекании лопастей ротора Савониуса.

Рисунок 28 - Мгновенное поле турбулентной вязкости (отнесенное к величине лами­нарной вязкости) в комбинированном роторе: Z = 2.5

3.2 Алгоритм моделирования ветротурбины в системе MatLab 2013

При помощи программного пакета MATLAB появляется возможность моделирования ветротурбины любой сложности. Порядок моделирования следующий:

Располагаем компоненты Ramp, Saturation, Math Function, Gain на форме проекта. Все, что нужно для получения характеристик распределения скоростей, крутящего момента, захвата кинетической энергии и т.д. – это занесение математических формул в данные компоненты

Находим математические формулы:

Крутящий момент установки, в зависимости от скорости ветра равен

(1)

– коэффициент крутящего момента. На прочих характеристиках не будем останавливаться, т.к. они даны изначально.

Коэффициент крутящего момента определяется при максимальном коэффициенте использования энергии ветра и быстроходности , которая определяется как . (2)

Далее остается только лишь обратиться к предыдущей главе и понять, чем отличаются характеристики для ротора Дарье-Савониуса от традиционных характеристик. Обращаем ваше внимание на влияние турбин друг на друга, а также на полученные коэффициенты и быстроходность. После нахождения характеристик для ротора Дарье-Савониуса необходимо несколько изменить математические формулы в блоках MatLab. Также не стоит забывать, что у нас на входе и ламинарный и турбулентный потоки. Следовательно, необходимо учесть турбулентную и ламинарную вязкость, о которых сказано в предыдущей главе.

Далее в MatLab построен графики найденных характеристик, добавив блок Display. Таким образом, схема будет выглядеть так (Рисунок 29):

Рисунок 29 – Моделирование ветротурбины в Matlab

В результате будут получены следующие данные (рисунок 30) в виде графиков коэффициентов использования энергии ветра, крутящего момента и быстроходности.

Рисунок 30 – Расчетные графики по программе MatLab

3.3 Выбор профиля ветроустановки

Существуют несколько распространенных профилей, использующихся для конструкции ветроустановок. Наибольшее распространение получили профили NACA. В качестве примера возьмем симметричный профиль NACA восемнадцатипроцентной толщины.

Приведем его характеристики:

Таблица 1 - Аэродинамические характеристики симметричного профиля
NACA восемнадцатипроцентной толщины

Наименование параметра	Угол атаки	Коэффициент подъемной силы	Коэффициент сопротивления
Обозначение в формуле	a
Единица измерения	градус	о. е.	о. е.
Номера точек		- 8,0	- 0,60	0,032
	- 4,0	- 0,30	0,018
	- 2,0	- 0,14	0,012
	0,0	0,00	0,009
	2,0	0,14	0,012
	4,0	0,30	0,018
	6,0	0,43	0,022
	8,0	0,60	0,032
	10,0	0,72	0,044
	12,0	0,88	0,059
	14,0	1,01	0,078
	16,0	1,15	0,097
	18,0	1,28	0,118
	20,0	1,39	0,140
	21,8	1,31	0,188
	24,0	1,24	0,260
	28,0	1,08	0,357
	30,0	0,96	0,396

Таблица 2 - Безразмерные координаты симметричного профиля NACA,
общий случай (ордината y — в долях максимальной толщины С)

Номера точек
	0,00	0,00
	1,25	15,80
	2,50	21,80
	5,00	29,60
	7,50	35,00
	10,00	39,00
	15,00	44,53
	20,00	47,80
	25,00	49,53
	30,00	50,00
	40,00	48,43
	50,00	44,13
	60,00	38,00
	70,00	30,53
	80,00	21,87
	90,00	12,07
	95,00	6,73
	100,00	0,00

Таблица 3 - Безразмерные координаты симметричного профиля NACA
восемнадцатипроцентной толщины (ордината y — в долях хорды b)

Номера точек
	0,00	0,00
	1,25	2,84
	2,50	3,92
	5,00	5,33
	7,50	6,30
	10,00	7,02
	15,00	8,02
	20,00	8,60
	25,00	8,92
	30,00	9,00
	40,00	8,70
	50,00	7,94
	60,00	6,84
	70,00	5,50
	80,00	3,94
	90,00	2,17
	95,00	1,21
	100,00	0,00

В таблице 4 приведены характеристики, не зависящие от характеристик профиля. Следующие характеристики представлены изначально для математического расчета.

Таблица 4 - Условные обозначения исходных данных расчета и их величины
для выбранного примера расчета

Наименование параметра	Обозна-чение в формуле	Единицы измерения	Машин- ный счет	Ручной счет
Число лопастей ветроколеса	iл	о. е.
Число шагов при численном интегрировании по углу	nq	о. е.
Относительная хорда профиля в долях наружного радиуса ветроколеса		о. е.	0,08	0,08
Коэффициент изменения хорды профиля	kb	о. е.	1,0	1,1
Число точек вспомогательной быстроходности	nвсп	о. е.
Начальное значение вспомогательной быстроходности		о. е.	1,05	1,05
Конечное значение вспомогательной быстроходности		о. е.	12,05	12,05
Коэффициент абсциссы рабочей точки	kz	о. е.	0,25	0,25
Номинальная мощность	Nn	Вт	-	-
КПД электрический	hэл	о. е.	0,6	0,6
КПД механический	hм	о. е.	0,9	0,9
Плотность воздуха	r	кг/м3	1,2	1,2
Относительная величина половины высоты ветроколеса в долях радиуса (для наклонных лопастей — относительная величина всей высоты)		о. е.	1,5	1,5
	о. е.	–	–
Количество шагов при численном интегрировании по высоте лопасти (для прямых вертикальных лопастей и изогнутых по параболе лопастей рассматривается половина высоты; для прямых наклонных лопастей — вся высота)	nz	о. е.
Угол наклона лопастей – для варианта прямых наклонных лопастей	d	град	15°	–
Задаваемое малое положи- тельное число	e	о. е.	0,001	0,001

3.4 Расчет заданной ветроустановки

Задача данного пункта следующая: нахождение основных характеристик (коэффициентов быстроходности и мощности, быстроходность ветроустановки) трехлопастного ротора Дарье с учетом влияния на его характеристики ротора Савониуса. После нахождения коэффициентов быстроходности и мощности, быстроходности ротора Дарье, умножим данные характеристики на коэффициенты найденные с помощью анализа работы совмещенного ротора Дарье-Савониуса.

Расчет трехлопастного ротора Дарье с изогнутыми лопастями.

Шаг при численном интегрировании по высоте лопасти определяется как:

Относительная высота части лопасти задается следующим образом:

, k = 0, 1, 2, 3, 4.

В таблице 5 приведены параметры для пяти значений k.

Таблица 5 - Значения

k
	0,00	0,25	0,50	0,75	1,00

Безразмерные координаты и точек кривой,
соответствующей форме лопасти

Так как мы рассматриваем случай изогнутых по параболе лопастей, то по формуле:

где определяется по таблице 5.

Величины представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Значения

k
	1,0	0,9375	0,75	0,4375

Площадь миделева сечения ротора определяется как:

где задано в исходных данных.

Величина S определяется после определения характеристик безотносительно к конкретным размерам, в частности — к R.

Угол наклона плоскости промежуточного сечения лопасти к горизонтальной плоскости рассчитывается как:

(5)

где определяется по таблице 5;

задано, .

Вычисленные значения, связанные с углом d_k, приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Параметры, связанные с углом d_k

Определим коэффициент вспомогательной быстроходности колеса:

где KK = 1, 2, …, n_всп.

По табл. 1.1: n_всп = 3, , .

Так как n_всп = 3, то КК = 1, 2 и 3.

Вычислим для этих значений KK:

КК = 1:

КК = 2:

КК = 3:

В примере расчета рассмотрим случай Z_b = 6,55.

Максимальный по модулю угол атаки промежуточного сечения равен:

.

Для k = 0, 1, 2, 3, 4, при Z_b = 6,55, для cosd_k, взятого из табл. 7, и , взятого из табл. 6, получаем величины (таблица 8).

Таблица 8 - Величины

k
	8,78°	8,9°	9,8°	14,75°	—

Величины двух азимутальных углов, соответствующих
максимальному по модулю углу атаки определяются:

Величины вычисленных азимутальных углов приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Величины и

k
	98,78°	99,37°	101,75°	110,42°	—
	261,22°	260,63°	258,25°	249,58°	—

Минимально допустимое значение относительного радиуса
при численном интегрировании

,

где ε = 0,001

Так как расчет ведется для Z_b = 6,55, то
= 0,1537.

Число шагов при численном интегрировании по .

Все , кроме (см. табл. 6), больше .

n = n_z –1

т.е. n = 4 – 1 = 3.

Определение азимутальных углов q_i

Шаг по углу:

где n_q = 3

Угол q_i:

.

Для n_q = 3 і = 0, 1, 2, 3,

(таблица 10)

Таблица 10 - Значения угла q_i и связанные с ним параметры

Углы атаки.

Приведем вычисление углов атаки в плоскости профиля при .

Для первого шага по получаем

(таблицы 5 - 7).

Тогда

Для четырех значений q_i (см. табл. 10) имеем

Для остальных (см. табл. 5) a вычисляется аналогично.

В таблице 11 приведены значения угла атаки a для четырех значений при четырех значениях q_i и значения для каждого .

Таблица 11 - Значения углов атаки a

	q = 0°	q = 120°	q = 240°	q = 360°
	0°	-8,146°	8,146°	0°	8,78°
0,25	0°	-8,29°	8,29°	0°	9,8°
0,5	0°	-9,27°	9,27°	0°	10,5°
0,75	0°	-14,51°	14,51°	0°	14,75°